專利名稱：一種激光擴(kuò)束器參數(shù)的計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種激光擴(kuò)束器參數(shù)的計(jì)算器，特別是一種能自動(dòng)計(jì)算出激光 擴(kuò)束器的參數(shù)的計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
激光加工過(guò)程中，通常要求激光在聚焦點(diǎn)的能量非常集中，保證激光加工 聚焦點(diǎn)的能量密度，使得激光有效地工作。實(shí)際工作中通常選用激光擴(kuò)束器來(lái) 增加光束的直徑以及減小光束的發(fā)散角。其中，透鏡擴(kuò)束器是最傳統(tǒng)、最廣泛
采用的一種激光擴(kuò)束器。如圖1所示為激光擴(kuò)束器的結(jié)構(gòu)圖。其中，o為點(diǎn)光
源，負(fù)透鏡A和正透鏡C依次安放在點(diǎn)光源O的一側(cè)，且焦距分別是Fa和Fc。 不同的激光，使用激光擴(kuò)束器時(shí)要求符合的參數(shù)也不同。要實(shí)現(xiàn)所需的遠(yuǎn) 場(chǎng)(目標(biāo)距離處)尺寸和發(fā)散角，往往需要調(diào)整激光擴(kuò)束器的間距。即需要根 據(jù)激光擴(kuò)束器的使用距離，選擇一定焦距的正負(fù)透鏡并兩者的間距。若每次更 換所使用的激光束時(shí)都要根據(jù)公式由人工計(jì)算而得，不僅效率較低而且精度較 差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種激光擴(kuò)束器參數(shù)的計(jì)算方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)的缺失。 有鑒于此，本發(fā)明提供一種激光擴(kuò)束器參數(shù)的計(jì)算方法，可自動(dòng)計(jì)算激光 擴(kuò)束器的參數(shù)，上述激光擴(kuò)束參數(shù)的計(jì)算方法包括測(cè)量光束發(fā)散角參數(shù)；將 上述光束發(fā)散角參數(shù)、擴(kuò)束前光束尺寸以及擴(kuò)束后光束尺寸輸入激光擴(kuò)束計(jì)算 器；以及上述激光擴(kuò)束計(jì)算器自動(dòng)計(jì)算上述激光擴(kuò)束器的參數(shù)。
綜上所述，本發(fā)明所采用的激光擴(kuò)束器參數(shù)的計(jì)算方法，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè) 得的激光擴(kuò)束器的發(fā)散角以及預(yù)設(shè)的光束尺寸，不僅自動(dòng)計(jì)算出激光擴(kuò)束器的 最佳匹配鏡片的焦距以及上述最佳匹配鏡片的間距，還能評(píng)估出在滿足擴(kuò)束后光斑尺寸的前提下，該擴(kuò)束器系統(tǒng)適用的傳輸距離和在傳輸后的發(fā)散角。該計(jì) 算器可以方便的安裝在實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)合，方便各種激光器的擴(kuò)束器的鏡片選配。


圖1所示為激光擴(kuò)束器的結(jié)構(gòu)圖。
圖2所示為本發(fā)明的激光擴(kuò)束器參數(shù)的計(jì)算方法的流程圖。
圖3所示為光斑在不同位置處的發(fā)散角大小。
圖4所示為相干光束發(fā)散角的補(bǔ)償圖。
圖5所示為激光光束^c一個(gè)點(diǎn)光源出射示意圖。
圖6所示非相干光束發(fā)散角補(bǔ)償圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、特征更明顯易懂，給出較佳實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本 發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
如圖2所示為本發(fā)明的激光擴(kuò)束器參數(shù)的計(jì)算方法的流程圖。 步驟IO,測(cè)量光束發(fā)散角參數(shù)。
對(duì)于理想的激光光源，發(fā)散角為零，但對(duì)于實(shí)際激光光源，往往激光器的 光束發(fā)散角不是零，這里的光束發(fā)散角參數(shù)包括光束總發(fā)散角、相干發(fā)散角和 非相干發(fā)散角，如下表示為6=0 + "'"，其中，e為光束總發(fā)散角，"為相千 光束發(fā)散角，0為非相干光束發(fā)散角，d為光斑尺寸。如圖3所示為光斑在不同 位置處的發(fā)散角參數(shù)的大小。其中理想激光光束21的總發(fā)散角6為0,實(shí)際激 光光束22的相干光束發(fā)散角"隨著光斑位置X的增大而增大，非相干光束發(fā)散 角G)也隨著光斑位置X的不同而不同。特定光束的光束發(fā)散角參數(shù)用如下的實(shí) 驗(yàn)測(cè)量得到(1)用小孔光闌遮擋激光光束，僅讓激光光束的中心部分通過(guò)小 孔，在第一預(yù)設(shè)距離處測(cè)量光斑大小進(jìn)而計(jì)算出非相干發(fā)散角0，其中第一預(yù) 設(shè)距離為激光光源到激光擴(kuò)束器入口處的距離。(2)在距離激光光束第二預(yù)設(shè) 距離處測(cè)量激光光束整體發(fā)散后的尺寸，進(jìn)而計(jì)算出光束總發(fā)散角e的值，其 中第二預(yù)設(shè)距離為激光光源到目標(biāo)物體的距離，即該激光擴(kuò)束器適用的傳輸距 離。(3)由于激光出口光束的尺寸由激光快門出口處的光闌限定(d已知)，光斑中心處的非相干光束發(fā)散角0已測(cè)出，故相干光束發(fā)散角<formula>formula see original document page 6</formula>
且由于°=1，可以方便的計(jì)算出相干光束發(fā)散角"(mrad/mm)的值。這樣，就 可以測(cè)得特定激光光束的發(fā)散角參數(shù)。
步驟20,將光束發(fā)散角參數(shù)、擴(kuò)束前光束尺寸以及擴(kuò)束后光束尺寸輸入激 光擴(kuò)束計(jì)算器。
這里的光束發(fā)散角參數(shù)指的就是步驟IO種所測(cè)得的光束總發(fā)散角6 ，非相 干光束發(fā)散角Q和相干光束發(fā)散角"。擴(kuò)束后光束尺寸包括放大前的光束尺寸以 及放大后的光束尺寸。
步驟30,上述激光擴(kuò)束計(jì)算器自動(dòng)計(jì)算上述激光擴(kuò)束器的參數(shù)。 激光擴(kuò)束計(jì)算器中包含有一個(gè)鏡片庫(kù)，鏡片庫(kù)中儲(chǔ)存著不同數(shù)值，這些數(shù) 值分別代表不同鏡片的焦距?？傮w而言，自動(dòng)計(jì)算上述激光擴(kuò)束器的參數(shù)的過(guò) 程可分為以下三步在上述鏡片庫(kù)中任意選擇一個(gè)具有特定焦距Fc的正透鏡； 根據(jù)公式(如下文中的(7)和(8))計(jì)算出與之匹配的具有另一特定焦距FA傘 的負(fù)透鏡及兩者之間的距離D;以及根據(jù)公式(如下文中的(4))計(jì)算出上述 擴(kuò)束器適用的傳輸距離L。詳細(xì)如下所述。
假設(shè)要產(chǎn)生光斑尺寸為G。土&G，光束總發(fā)散角<^,的光束，并要求光束尺
寸在設(shè)計(jì)的傳輸距離L內(nèi)都能夠滿足要求。為充分"i兌明各個(gè)公式的運(yùn)用，這里
分別就以下幾種由簡(jiǎn)到繁的情況逐次進(jìn)行討論。
情況一，在理想情況下，光束總發(fā)散角6=0，即非相干光束發(fā)散角 =0且相
干光束發(fā)散角"=0。如圖1所示，激光光束通過(guò)一個(gè)負(fù)透鏡A和一個(gè)正透鏡C
進(jìn)行擴(kuò)束。擴(kuò)束器的放大率為
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激光光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束器的擴(kuò)束后發(fā)散角仍為零度，所以光斑尺寸不隨距離變化， 任何距離都可以滿足要求。當(dāng)激光器的光斑尺寸有變化量時(shí)，擴(kuò)束器在放大光 斑尺寸的同時(shí)也會(huì)對(duì)光斑的變化量進(jìn)行放大。例如已知激光器的光斑尺寸為
^ ±5.《，那么經(jīng)過(guò)擴(kuò)束后的光斑尺寸應(yīng)為Go土&G。。如果約束擴(kuò)束后的光斑尺寸為G0 ± (UG。，那么應(yīng)限制激光器出射的光斑尺寸為《± 0.2^ 。如果超出該尺寸， 可以通過(guò)增加額外的發(fā)散角來(lái)保證遠(yuǎn)場(chǎng)L距離的光斑尺寸，額外發(fā)散角可以由 下面的公式求得
<formula>formula see original document page 7</formula>
情況二，在理想情況的基礎(chǔ)上，如果相干光束有一定的發(fā)散角即"^0,那
么就相當(dāng)于負(fù)透鏡A的虛焦點(diǎn)往右移動(dòng)了距離5，破壞了理想情況下的準(zhǔn)直性。 為了補(bǔ)償擴(kuò)束后的發(fā)散角，兩透鏡之間距離需要增加 如圖4所示為相干光束 發(fā)散角的補(bǔ)償圖，下面對(duì)S進(jìn)行計(jì)算。相干光束發(fā)散角a可以等價(jià)于從一個(gè)距離 擴(kuò)束器為L(zhǎng)的點(diǎn)光源發(fā)出的，如圖5所示為激光光束從一個(gè)點(diǎn)光源出射示意圖， 其中d0為點(diǎn)光源在擴(kuò)束器入口處的光斑尺寸。通過(guò)幾何關(guān)系可以得到距離L
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然后利用透鎮(zhèn):公式，可以求得^
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對(duì)激光光束的相干發(fā)散角校正之后，光束是平行的，但是光斑尺寸略有改變， 由公式(1)可以求得光斑尺寸的改變量
<formula>formula see original document page 7</formula>
相千光束發(fā)散角可以通過(guò)透鏡的移動(dòng)來(lái)補(bǔ)償，但是以犧牲光斑尺寸為代價(jià)的。
情況三，由于非相干光束發(fā)散的存在即非相干光束發(fā)散角0 光斑尺寸 隨距離不斷增加。這樣很可能導(dǎo)致光斑在設(shè)計(jì)距離L處超出所要求的范圍。在 距離L處，最小的光斑尺寸可以通過(guò)下面的公式獲得；》
G。 (4) 如果g幽〉g。，那么在遠(yuǎn)場(chǎng)要求的光斑尺寸就無(wú)法滿足。如果g鵬〈g。，那么可
以通過(guò)調(diào)整正透鏡C的位移略微使光束聚焦來(lái)補(bǔ)償光束的發(fā)散角，當(dāng)g""1^^ 時(shí)，透鏡位移需要最大的調(diào)整量^此時(shí)，擴(kuò)束器的焦點(diǎn)置于距離L處，如圖6 所示非相干光束發(fā)散角補(bǔ)償圖。距離y表示了極端情況，如果所有的光束總發(fā)散
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角都小于 zrf。，透鏡的位移將會(huì)很小。距離7的公式可以通過(guò)透鏡公式獲 得
<formula>formula see original document page 8</formula>
透鏡的移動(dòng)將導(dǎo)致光斑尺寸的增大，增加量可以通過(guò)/>式《&獲得<formula>formula see original document page 8</formula>
(6)
情況四，在實(shí)際應(yīng)用中，上述多種情況會(huì)同時(shí)發(fā)生對(duì)激光擴(kuò)束器的擴(kuò)束作用 產(chǎn)生影響。利用FA和Fc對(duì)激光光束進(jìn)行擴(kuò)束并校正光束總發(fā)散角，必須一開(kāi)始 就要考慮這個(gè)影響。實(shí)際出射光斑的尺寸為
<formula>formula see original document page 8</formula>
調(diào)整負(fù)透鏡A的焦距F:，使實(shí)際出射光斑尺寸等于所要求的入射光斑尺寸。(8)
通過(guò)該方程可以求得校正過(guò)的焦距^4 。利用公式(2)和(4)，可以計(jì)算出透 鏡之間的間距
(9)
這樣就得到了激光擴(kuò)束器的參數(shù)Fc, F/和D，再利用公式(4)就可求出擴(kuò)束 器適用的傳輸距離L。
本發(fā)明的計(jì)算方法應(yīng)考慮實(shí)際操作中的復(fù)雜情況，適合運(yùn)用上述"情況四" 的思考方式。實(shí)際應(yīng)用中，還常常需要符合一特定的傳輸距離L,即把傳輸距離 L同光束發(fā)散角參數(shù)、擴(kuò)束前光束尺寸以及擴(kuò)束后光束尺寸一起當(dāng)作已知參數(shù)輸 入激光擴(kuò)束計(jì)算器，以求出符合要求的激光擴(kuò)束器的參數(shù)Fc， F/和D。
綜上所述，本發(fā)明所采用的激光擴(kuò)束計(jì)算器，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的激光擴(kuò) 束器的光束總發(fā)散角以及預(yù)設(shè)的光束尺寸，不僅自動(dòng)計(jì)算出擴(kuò)束器設(shè)計(jì)的主要 的調(diào)整參數(shù)Fc， F/和D，還能評(píng)估出在滿足擴(kuò)束后光斑尺寸的前提下，該激光 擴(kuò)束器的適用距離和在傳輸后的光束總發(fā)散角。該計(jì)算器可以方便的安裝在實(shí) 驗(yàn)室等場(chǎng)合，方便各種激光器的擴(kuò)束器的鏡片選配。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟 悉此技術(shù)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因 此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
豕 4
■
權(quán)利要求
1.一種激光擴(kuò)束器參數(shù)的計(jì)算方法，自動(dòng)計(jì)算出激光擴(kuò)束器的參數(shù)，其特征是，上述計(jì)算方法包括測(cè)量光束發(fā)散角參數(shù)；將上述光束發(fā)散角參數(shù)、擴(kuò)束前光束尺寸以及擴(kuò)束后光束尺寸輸入激光擴(kuò)束計(jì)算器；以及上述激光擴(kuò)束計(jì)算器自動(dòng)計(jì)算上述激光擴(kuò)束器的參數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的計(jì)算方法，其特征是，上述擴(kuò)束計(jì)算器包含鏡片庫(kù)， 上述鏡片庫(kù)中儲(chǔ)存著不同數(shù)值，上述這些數(shù)值代表不同鏡片的焦距。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的計(jì)算方法，其特征是，上述激光擴(kuò)束計(jì)算器自動(dòng)計(jì)算 上述激光擴(kuò)束器的參數(shù)的步驟還包括在上述鏡片庫(kù)中任意選擇一個(gè)焦距為Fc的正透鏡； 根據(jù)公式"( 。+IO錄+ |0暨《 J,o和—老(:一》效是)計(jì)算出與上述正透鏡匹配的一個(gè)負(fù)透鏡焦距FA*，根據(jù)公式計(jì)算兩者之間的距離D;以及 根據(jù)公式 r &G0計(jì)算出上述擴(kuò)束器適用的傳輸距離L。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的計(jì)算方法，其特征是，上述光束發(fā)散角參數(shù)包括光束 總發(fā)散角、相干光束發(fā)散角和非相干光束發(fā)散角。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的計(jì)算方法，其特征是，上述光束發(fā)散角參數(shù)之間的關(guān)系是e-0+"^，其中，e為上述光束總發(fā)散角，G)為上述非相干光束發(fā)散角，"為上述相干光束發(fā)散角，d為光斑尺寸。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的計(jì)算方法，其特征是，上述光束發(fā)散角參數(shù)的方法包 括用小孔光闌遮擋激光光束，僅讓激光光束的中心部分通過(guò)小孔，在第一預(yù)設(shè)距離處測(cè)量光斑大小進(jìn)而計(jì)算出光束中心的非相干光束發(fā)散角 ; 在第二預(yù)設(shè)距離處測(cè)量激光光束整體發(fā)散后的尺寸，進(jìn)而計(jì)算出總的發(fā)散角e的4直；以及利用上述公式6= + ""計(jì)算出相干光束發(fā)散角"，其中光斑尺寸d為已知，由 激光快門出口處的光闌限定。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的計(jì)算方法，其特征是，上述計(jì)算方法還包括將符合要 求的傳輸距離輸入上述激光擴(kuò)束計(jì)算器。
全文摘要
一種激光擴(kuò)束器參數(shù)的計(jì)算方法，可自動(dòng)計(jì)算激光擴(kuò)束器的參數(shù)，上述激光擴(kuò)束參數(shù)的計(jì)算方法包括測(cè)量光束發(fā)散角參數(shù)；將上述光束發(fā)散角參數(shù)、擴(kuò)束前光束尺寸以及擴(kuò)束后光束尺寸輸入激光擴(kuò)束計(jì)算器；以及上述激光擴(kuò)束計(jì)算器自動(dòng)計(jì)算上述激光擴(kuò)束器的參數(shù)。
文檔編號(hào)G02B27/09GK101604303SQ20091005458
公開(kāi)日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2009年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月9日
發(fā)明者李仲禹 申請(qǐng)人:上海微電子裝備有限公司